《通信原理》第六版課件第1章

1、通信原理通信原理第第1章章 緒論緒論主要內(nèi)容提要l通信的基本概念通信的基本概念l通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的組成l通信系統(tǒng)的分類與通信方式通信系統(tǒng)的分類與通信方式l信息及其度量信息及其度量l通信系統(tǒng)的主要性能指標通信系統(tǒng)的主要性能指標 第第1章章 緒論緒論l1. 1 通信的基本概念通信的基本概念n通信的目的：傳遞消息中所包含的信息。n消息：是物質或精神狀態(tài)的一種反映，例如語音、文字、音樂、數(shù)據(jù)、圖片或活動圖像等。n信息：是消息中包含的有效內(nèi)容。n實現(xiàn)通信的方式和手段：u非電的：如旌旗、消息樹、烽火臺 u電的：如電報、電話、廣播、電視、遙控、遙測、因特網(wǎng)和計算機通信等。 第第1章章 緒論緒論n電信發(fā)

2、明史u1837年：莫爾斯發(fā)明有線電報u1876年：貝爾發(fā)明有線電話 u1918年：調幅無線電廣播、超外差接收機問世u1936年：商業(yè)電視廣播開播 n后面講述中，“通信”這一術語是指“電通信”，包括光通信，因為光也是一種電磁波。n在電通信系統(tǒng)中，消息的傳遞是通過電信號來實現(xiàn)的。 第第1章章 緒論緒論l1.2 通信系統(tǒng)的組成n1.2.1 通信系統(tǒng)的一般模型u信息源（簡稱信源）：把各種消息轉換成原始電信號，如麥克風。信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。u發(fā)送設備：產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘?。u信道：將來自發(fā)送設備的信號傳送到接收端的物理媒質。分為有線信道和無線信道兩大類。u噪聲源：集中表示分布于通信系統(tǒng)

3、中各處的噪聲。第第1章章 緒論緒論u接收設備：從受到減損的接收信號中正確恢復出原始電信號。 u受信者（信宿）：把原始電信號還原成相應的消息，如揚聲器等。第第1章章 緒論緒論n1.2.2 模擬通信系統(tǒng)模型和數(shù)字通信系統(tǒng)模型u模擬信號和數(shù)字信號p模擬信號：代表消息的信號參量取值連續(xù)，例如麥克風輸出電壓： (a) 話音信號 (b) 抽樣信號圖1-2 模擬信號第第1章章 緒論緒論p數(shù)字信號：代表消息的信號參量取值為有限個，例如電報信號、計算機輸入輸出信號：u通常，按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，相應地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。 (a) 二進制信號 (b) 2PSK信號圖1-3

4、數(shù)字信號第第1章章 緒論緒論u模擬通信系統(tǒng)模型p模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)：p兩種變換：模擬消息 原始電信號（基帶信號）基帶信號 已調信號（帶通信號）圖1-4 模擬通信系統(tǒng)模型第第1章章 緒論緒論u數(shù)字通信系統(tǒng)模型p數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng) p信源編碼與譯碼目的：提高信息傳輸?shù)挠行酝瓿赡?數(shù)轉換 p信道編碼與譯碼目的：增強抗干擾能力p加密與解密目的：保證所傳信息的安全p數(shù)字調制與解調目的：形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘?p同步目的：使收發(fā)兩端的信號在時間上保持步調一致 圖1-5 數(shù)字通信系統(tǒng)模型第第1章章 緒論緒論n1.2.3 數(shù)字通信的特點u優(yōu)點p

5、抗干擾能力強，且噪聲不積累p傳輸差錯可控p便于處理、變換、存儲p便于將來自不同信源的信號綜合到一起傳輸p易于集成，使通信設備微型化，重量輕p易于加密處理，且保密性好u缺點：p需要較大的傳輸帶寬p對同步要求高第第1章章 緒論緒論l1.3 通信系統(tǒng)分類與通信方式n1.3.1 通信系統(tǒng)的分類u按通信業(yè)務分類：電報通信系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、圖像通信系統(tǒng) u按調制方式分類：基帶傳輸系統(tǒng)和帶通（調制）傳輸系統(tǒng) 調制傳輸系統(tǒng)又分為多種調制，詳見書中表1-1。u按信號特征分類：模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)u按傳輸媒介分類：有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng) u按工作波段分類：長波通信、中波通信、短波通信 u

6、按信號復用方式分類：頻分復用、時分復用、碼分復用 第第1章章 緒論緒論n1.3.2 通信方式u單工、半雙工和全雙工通信p單工通信：消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞絧半雙工通信：通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時收發(fā)的工作方式p全雙工通信：通信雙方可同時進行收發(fā)消息的工作方式 第第1章章 緒論緒論u并行傳輸和串行傳輸p并行傳輸：將代表信息的數(shù)字信號碼元序列以成組的方式在兩條或兩條以上的并行信道上同時傳輸 優(yōu)點：節(jié)省傳輸時間，速度快：不需要字符同步措施缺點：需要 n 條通信線路，成本高 第第1章章 緒論緒論p串行傳輸 ：將數(shù)字信號碼元序列以串行方式一個碼元接一個碼元地在一條信道上傳輸優(yōu)點：只需一條通信信

7、道，節(jié)省線路鋪設費用缺點：速度慢，需要外加碼組或字符同步措施u其他分類方式：p同步通信和異步通信p專線通信和網(wǎng)通信第第1章章 緒論緒論l1.4 信息及其度量信息及其度量n信息：是消息中包含的有效內(nèi)容n如何度量離散消息中所含的信息量?u度量信息量的原則p能度量任何消息，并與消息的種類無關。p度量方法應該與消息的重要程度無關。p消息中所含信息量和消息內(nèi)容的不確定性有關【例】 “某客機墜毀”這條消息比“今天下雨”這條消息包含有更多的信息。 上例表明：消息所表達的事件越不可能發(fā)生，信息量就越大。 第第1章章 緒論緒論u度量信息量的方法p事件的不確定程度可以用其出現(xiàn)的概率來描述：消息出現(xiàn)的概率越小，則消

8、息中包含的信息量就越大。 p設：P(x) 消息發(fā)生的概率， I 消息中所含的信息量， p則 P(x) 和 I 之間應該有如下關系：I 是 P(x) 的函數(shù)： I I P(x)P(x) ，I ； P(x) ，I ； P(x) = 1時，I 0； P(x) = 0時，I ； p 滿足上述3條件的關系式如下：信息量的定義)()()()(2121xPIxPIxPxPI)(log)(1logxPxPIaa第第1章章 緒論緒論p上式中對數(shù)的底： 若a = 2，信息量的單位稱為比特(bit) ，可簡記為b 若a = e，信息量的單位稱為奈特(nat)， 若 a = 10，信息量的單位稱為哈特萊(Hartle

9、y) 。p通常廣泛使用的單位為比特，這時有(b)p【例例】 設一個二進制離散信源，以相等的概率發(fā)送數(shù)字“0”或“1”，則信源每個輸出的信息含量為 p在工程應用中，習慣把一個二進制碼元稱作1比特 )(log)(1logxPxPIaa221loglog( )( )IP xP x )b(12log2/11log) 1 ()0(22 II第第1章章 緒論緒論p若有M個等概率波形（P = 1/M），且每一個波形的出現(xiàn)是獨立的，則傳送M進制波形之一的信息量為p若M是2的整冪次，即 M = 2k，則有當M = 4時，即4進制波形，I = 2比特，當M = 8時，即8進制波形，I = 3比特。)b(log/1

10、1log1log222MMPI2log 2( )kIkb第第1章章 緒論緒論p對于非等概率情況設：一個離散信源是由M個符號組成的集合，其中每個符號xi (i = 1, 2, 3, , M)按一定的概率P(xi)獨立出現(xiàn)，即 且有則x1 , x2, x3, xM 所包含的信息量分別為于是，每個符號所含平均信息量為由于H(x)同熱力學中的熵形式相似，故稱它為信息源的熵 1212,MMxxxP xP xP x1()1MiiP x21222log()log()log()MP xP xP x， ，121222221( )( ) log( )() log()() log()( ) g( )(/(1.4 6

11、)MMMiiiH xP xP xP xP xP xP xP x loP x比特 符號）第第1章章 緒論緒論u【例例1】 一離散信源由“0”，“1”，“2”，“3”四個符號組成，它們出現(xiàn)的概率分別為3/8，1/4，1/4，1/8，且每個符號的出現(xiàn)都是獨立的。試求某消息2010201302130 01203210100321010023102002010312032100120210的信息量?！窘饨狻看讼⒅?，“0”出現(xiàn)23次，“1”出現(xiàn)14次，“2”出現(xiàn)13次，“3”出現(xiàn)7次，共有57個符號，故該消息的信息量每個符號的算術平均信息量為)b(1088log74log134log143/8log23

12、2222I符號）比特符號數(shù)/(89. 157108II第第1章章 緒論緒論若用熵的概念來計算：則該消息的信息量 以上兩種結果略有差別的原因在于，它們平均處理方法不同。前一種按算數(shù)平均的方法，結果可能存在誤差。這種誤差將隨著消息序列中符號數(shù)的增加而減小。當消息序列較長時，用熵的概念計算更為方便。符號）（比特/906. 181log8141log4141log4183log832222H)b(64.108906.157I第第1章章 緒論緒論n連續(xù)消息的信息量關于連續(xù)消息的信息量可以用概率密度函數(shù)來描述?？梢宰C明，連續(xù)消息的平均信息量為式中，f (x) 連續(xù)消息出現(xiàn)的概率密度。 ( )logaH x

13、fxfx dx 第第1章章 緒論緒論l1.5 通信系統(tǒng)主要性能指標通信系統(tǒng)主要性能指標n通信系統(tǒng)的主要性能指標：有效性和可靠性u有效性：指傳輸一定信息量時所占用的信道資源（頻帶寬度和時間間隔），或者說是傳輸?shù)摹八俣取眴栴}。u可靠性：指接收信息的準確程度，也就是傳輸?shù)摹百|量”問題。n模擬通信系統(tǒng)：u有效性：可用有效傳輸頻帶來度量。u可靠性：可用接收端最終輸出信噪比來度量。 第第1章章 緒論緒論n數(shù)字通信系統(tǒng)u有效性：用傳輸速率和頻帶利用率來衡量。 p碼元傳輸速率RB：定義為單位時間（每秒）傳送碼元的數(shù)目，單位為波特（Baud），簡記為B。式中T 碼元的持續(xù)時間（秒） p信息傳輸速率Rb：定義為單

14、位時間內(nèi)傳遞的平均信息量或比特數(shù)，單位為比特/秒，簡記為 b/s ，或bps )B(1TRB第第1章章 緒論緒論p碼元速率和信息速率的關系或 對于二進制數(shù)字信號：M = 2，碼元速率和信息速率在數(shù)量上相等。 對于多進制，例如在八進制（M = 8）中，若碼元速率為1200 B，則信息速率為3600 b/s。)b/s(log2MRRBb)B(log2MRRbB第第1章章 緒論緒論p頻帶利用率：定義為單位帶寬（1赫茲）內(nèi)的傳輸速率，即或u可靠性：常用誤碼率和誤信率表示。p誤碼率p誤信率，又稱誤比特率在二進制中有)B/Hz(BRBHz)b/(sBRbb傳輸總碼元數(shù)錯誤碼元數(shù)eP傳輸總比特數(shù)錯誤比特數(shù)bPebPP 第第1章章 緒論緒論l